(57)【要約】【課題】  余分な導管を必要とせず、パッケージ効率及び重要配分の観点から効率的な燃料電池システム用筐体を提供する。【解決手段】  燃料電池システム用筐体34は、燃料電池スタックを収容するスタック・モジュール内部38を持つスタック・モジュール36、そのスタック・モジュール36と流体的に連通して備えられる加湿器48及び、スタック・モジュール内部38と流体的に連通して備えられる一体化された凝縮器/消音器40を含む。【選択図】図１
2007066909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム用筐体において、
スタック・モジュール内部を持つスタック・モジュールと、
上記スタック・モジュール内部と流体的に連通して設けられる加湿器と、
上記スタック・モジュール内部と流体的に連通して設けられる、一体化された凝縮器/消音器とを有する筐体。
【請求項２】
上記加湿器と流体的に連通して設けられる純水タンクを更に有する請求項１に記載の筐体。
【請求項３】
上記一体化された凝縮器/消音器と上記純水タンクとの間の流体的な連通を構築する分配導管を更に有する請求項２に記載の筐体。
【請求項４】
上記純水タンクと上記加湿器との間の流体的な連通を構築する水戻し導管を更に有する請求項２又は３に記載の筐体。
【請求項５】
上記一体化された凝縮器/消音器から延設される空気放出導管を更に有する請求項１乃至４のいずれか一つに記載の筐体。
【請求項６】
上記加湿器及び上記一体化された凝縮器/消音器と流体的に連通して設けられた純水タンクを更に有する請求項１に記載の筐体。
【請求項７】
上記純水タンクと上記加湿器との間の流体的な連通を構築する水戻し導管を更に有する請求項６に記載の筐体。
【請求項８】
上記一体化された凝縮器/消音器と上記純水タンクとの間の流体的な連通を構築する分配導管を更に有する請求項６又は７に記載の筐体。
【請求項９】
燃料電池システム用筐体において、
スタック・モジュール内部を持つスタック・モジュールと、
上記スタック・モジュール内部と流体的に連通して設けられる加湿器と、
上記スタック・モジュール内部と流体的に連通して設けられ、上記スタック・モジュールを少なくとも部分的に囲む関係にある、一体化された凝縮器/消音器とを有する筐体。
【請求項１０】
上記加湿器と流体的に連通して設けられる純水タンクを更に有する請求項９に記載の筐体。
【請求項１１】
上記純水タンクが、上記一体化された凝縮器/消音器を少なくとも部分的に取り囲む位置関係に設けられる請求項１０に記載の筐体。
【請求項１２】
上記スタック・モジュール内部と上記純水タンクとの間の流体的な連通を構築する水導管を更に有する請求項１０又は１１に記載の筐体。
【請求項１３】
上記純水タンクと上記加湿器との間の流体的な連通を構築する水戻し導管を更に有する請求項１０乃至１２のいずれか一つに記載の筐体。
【請求項１４】
上記一体化された凝縮器/消音器と上記純水タンクとの間の流体的な連通を構築する分配導管を更に有する請求項１０乃至１３のいずれか一つに記載の筐体。
【請求項１５】
上記一体化された凝縮器/消音器と流体的に連通して設けられる空気放出導管を更に有する請求項９乃至１４のいずれか一つに記載の筐体。
【請求項１６】
燃料電池システム用筐体において、
スタック・モジュール内部を持つスタック・モジュールと、
上記スタック・モジュールと流体的に連通して設けられる加湿器と、
上記スタック・モジュール内部と流体的に連通して設けられ、上記スタック・モジュールを部分的に取り囲む位置関係にある、一体化された凝縮器/消音器と、
上記加湿器と流体的に連通して設けられ、上記一体化された凝縮器/消音器に隣接し且つ上記スタック・モジュールを部分的に取り囲む位置関係に設けられる純水タンクとを有する筐体。
【請求項１７】
上記スタック・モジュール内部と上記純水タンクとの間の流体的な連通を構築する水導管を更に有する請求項１６に記載の筐体。
【請求項１８】
上記一体化された凝縮器/消音器と上記純水タンクとの間の流体的な連通を構築する分配導管を更に有する請求項１６又は１７に記載の筐体。
【請求項１９】
上記純水タンクと上記加湿器との間の流体的な連通を構築する水戻し導管を更に有する請求項１６乃至１８のいずれか一つに記載の筐体。
【請求項２０】
上記一体化された凝縮器/消音器と流体的に連通して設けられる空気放出導管を更に有する請求項１６乃至１９のいずれか一つに記載の筐体。
【請求項２１】
一つ以上の燃料電池を持つ燃料電池システムの作動方法において、
上記一つ以上の燃料電池に流体的に連通する一体化された凝縮器/消音器を設ける工程と、
上記一つ以上の燃料電池からの排気を、上記一体化された凝縮器/消音器を通して循環させる工程とを有する方法。
【請求項２２】
上記一つ以上の燃料電池と連通する加湿器を設ける工程と、
上記排気中の水を上記一体化した凝縮器/消音器から上記加湿器へ分配する工程とを更に有する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
上記一体化された凝縮器/消音器及び上記加湿器に連通する水タンクを設ける工程を更に有し、
上記排気中の水を上記一体化した凝縮器/消音器から上記加湿器へ分配する工程は、上記一体化された凝縮器/消音器からの水を、上記水タンクへ分配し、該水タンクから上記加湿器に分配する工程を含む請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車又は他の適用例のために電気を生成するのに適した燃料電池及び、その作動方法に関する。より具体的には、本発明は、必要な配管を低減し且つ、パッケージ効率と重量効率を高め、更に筐体の断熱性及び遮音性を高める、一体化された純水タンクと凝縮器/消音器とを持つ燃料電池システム用筐体及び作動方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や他の適用例に使用されるエネルギーを生成するための燃料電池システムの開発が盛んに行われている。燃料電池システムは、水素ガスから電子を得ることによって、電気を作り出す。酸素は、その電子によって還元され、そして副生成物としての水を生成するために陽子と結合する。燃料電池自動車は、効率性が高く環境に優しい。
【０００３】
従来の典型的な燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックが、燃料電池用筐体のスタック・モジュール内に収容される。空気を加湿して、加湿された空気をスタック・モジュール内に分配するために、空気吸入導管は加湿器を通してスタック・モジュール内に空気を分配する。燃料電池スタック内の薄膜は、加湿された空気によって、最適な動作を行うために十分に湿った状態に維持される。空気排出導管は、排気をスタック・モジュールから凝縮器及び消音器それぞれを通して分配する。凝縮器は、排気が消音器に入るのに先立って、排気から過剰な水分を取り除く。回収された水分の全て又は一部は、一般的に、凝縮器から分配され、純水（de-ionized water）タンクを通って、スタック・モジュールに入る前の空気の水分を増加させるための加湿器に戻される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池システムにおいて、凝縮器、消音器及び純水タンクは、別々の要素である。しかしながら、その設計は、凝縮器、消音器及び純水タンクを相互に連結するために余分な導管を必要とする。また、それらの要素の断熱材及び遮音材は効果的ではない。さらに、その設計は、パッケージ及び重量配分の観点から効率が悪い。
【０００５】
したがって、凝縮器要素及び消音器要素或いは、凝縮器要素、消音器要素及び純粋タンク要素が、単一の構成部品に一体化された、新しく且つ改良された燃料電池用筐体が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は一般的に、燃料電池スタックを収容するスタック・モジュールの排出口側に、一体化された凝縮器及び消音器或いは、一体化された凝縮器、消音器及び純水タンクを持つ、新規の燃料電池用筐体を対象としている。本発明の実施形態の一つにおいて、空気吸入導管がスタック・モジュールと流体的に連通して配設され、そして加湿器がその空気吸入導管内に備えられる。空気排出導管はスタック・モジュールから延びて、一体化された凝縮器/消音器がその空気排出導管と流体的に連通して配設される。純水タンクが、接続導管によって一体化された凝縮器/消音器に接続される。一体化された凝縮器/消音器は、燃料電池スタックに対して、断熱性及び遮音性を向上させるだけでなく、パッケージ効率及び重量効率をも向上させる。
【０００７】
本発明の別の実施形態において、スタック・モジュールは燃料電池スタックを収容する三重壁のスタック・モジュール筐体を含む。スタック・モジュール筐体は、一体化された凝縮器/消音器及び、一体化された凝縮器/消音器を取り囲む純水タンクを含む。
【０００８】
本発明の更に別の実施形態において、スタック・モジュールは、燃料電池スタックを収容するスタック・モジュールを規定する二重壁のスタック・モジュール筐体を含む。この二重壁のスタック・モジュールは、一体化された凝縮器/消音器に隣接した純水タンクを規定する内壁及び外壁を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に図１を参照すると、本発明の燃料電池用筐体の実施形態が、参照符号34によって概略的に示される。燃料電池用筐体34は、スタック・モジュール内部38を取り囲むスタック・モジュール36を含む。燃料電池スタック（不図示）は、スタック・モジュール内部38の中に収容される。
【００１０】
一体化された凝縮器/消音器40は、スタック・モジュール36を少なくとも部分的に取り囲むか、又は封入するように設けられている。一体化された凝縮器/消音器40は、凝縮器（不図示）及び消音器（不図示）の両方を含む。一般的には、冷却媒体回路41によって、冷却媒体（不図示）が一体化された凝縮器/消音器40の中へ分配されると共に、一体化された凝縮器/消音器40から外部へ分配される。補給用純水（不図示）を収容する純水タンク44は、一体化された凝縮器/消音器40を少なくとも部分的に取り囲むか、又は封入するように設けられている。空気排出導管50が、スタック・モジュール36と、一体化された凝縮器/消音器40との間の流体的な連通を構築する。水導管52が、一体化された凝縮器/消音器40を通って延びて、スタック・モジュール36と純水タンク44との間の流体的な連通を構築する。空気放出導管54が、純水タンク44を通って、一体化された凝縮器/消音器40から延びる。分配導管58が、一体化された凝縮器/消音器40と純水タンク44との間の流体的な連通を構築する。
【００１１】
空気吸入導管46は、一体化された凝縮器/消音器40及び純水タンク44を通って延び、スタック・モジュール36のスタック・モジュール内部38と流体的に連通している。加湿器48は、従来のものであってもよく、空気吸入導管46内に備えられる。水戻し導管56は、純水タンク44と加湿器48との間の流体的な連通を構築する。
【００１２】
燃料電池用筐体34の動作において、吸気30aが空気吸入導管46を介して流通し、そして加湿器48へ流入する。純水タンク44からの水分が吸気30aに加えられ、その結果生じた加湿空気30bが、加湿器48から、スタック・モジュール36のスタック・モジュール内部38の中に収容された燃料電池スタック（不図示）の中へ流入する。加湿空気30bは、燃料電池スタックを通過するときに、燃料電池スタック内のポリマー電解質膜の水分を維持し、燃料電池スタックから排気30cとして排出される。
【００１３】
排気30cは燃料電池スタック及びスタック・モジュール36のそれぞれから排出され、そして、空気排出導管50を通って、一体化された凝縮器/消音器40の中へ流入する。一体化された凝縮器/消音器40の中で、水分が豊富で且つ酸素が消耗された排気30cから過剰な水分が取り除かれ、排気30cは乾燥空気30dとなる。乾燥空気30dは、空気放出導管54を通じて一体化された凝縮器/消音器40から大気中に放出される。排気30cから取り除かれた水27は、分配導管58を通じて、一体化された凝縮器/消音器40から純水タンク44へ分配される。この水27は、水戻し導管56を通って、純水タンク44から加湿器48に分配される。加湿器48の中において、水27は吸気30aと混合して吸気30aに水分を与え、その後、加湿空気30bとしてスタック・モジュール36内に流入する。水27aは、水導管52を通じて、即ち直接的にスタック・モジュール36から純水タンク44へ分配される。
【００１４】
本技術分野の当業者によって、燃料電池用筐体34の一体化された凝縮器/消音器40のコンパクト設計が、スタック・モジュール36内に収容される燃料電池スタックに関する断熱及び遮音を向上させるだけでなく、燃料電池用筐体34の設計に対し、パッケージ効率及び重量効率の向上をもたらすことが理解できるであろう。
【００１５】
次に図１を参照すると、本発明の燃料電池用筐体の別の実施形態が、参照符号60によって概略的に示される。燃料電池用筐体60は、燃料電池スタック（不図示）を収容するスタック・モジュール内部64を持つスタック・モジュール62を含む。一体化された凝縮器/消音器78と補給用純水を収容する純水タンク80とは、スタック・モジュール62を少なくとも部分的に取り囲むか、又は封入するように設けられる。また、一体化された凝縮器/消音器78と純水タンク80とは、概して互いに隣接する関係に配設される。冷却溶媒回路82は、一般的に、一体化された凝縮器/消音器78の中へ液体の冷却媒体（不図示）を流入させると共に、凝縮器/消音器78から冷却媒体を流出させる。空気排出導管70が、スタック・モジュール62と一体化された凝縮器/消音器78との間の流体的連通を構築する。水導管71は、スタック・モジュール62から純水タンク80への直接的な水27aの通過を可能とするように、スタック・モジュール62と純水タンク80との間の流体的連通を構築する。分配導管72は、一体化された凝縮器/消音器78と純水タンク80との流体的連通を構築する。空気放出導管74は、一体化された凝縮器/消音器78から延設される。
【００１６】
空気吸入導管66は、スタック・モジュール62のスタック・モジュール内部64と流体的に連通するように配設される。加湿器68は、従来のものであってもよく、空気吸入導管66の中に備えられる。水戻し導管76が、純水タンク80と加湿器68との間の流体的連通を構築する。
【００１７】
燃料電池用筐体60の動作において、吸気30aは空気吸入導管66を通って加湿器68内に流入する。加湿空気30bが、加湿器68から、スタック・モジュール62のスタック・モジュール内部64内の燃料電池スタック（不図示）内へ流入し、その中を通る。燃料電池スタックからの副生水を含む排気30cが、燃料電池スタックから流出する。
【００１８】
排気30cは、スタック・モジュール62から空気排出導管70を通って、一体化された凝縮器/消音器78の中に流入する。一体化された凝縮器/消音器78の中において、水分が豊富で且つ酸素が消耗された排気30cから水27が取り除かれ、乾燥空気30dを生成される。この乾燥空気30dは、一体化された凝縮器/消音器78から空気放出導管74を通って大気中に放出される。水27は、分配導管72によって、一体化された凝縮器/消音器78から純水タンク80へ流通する。
【００１９】
水27は、水戻し導管76によって、純水タンク80から加湿器68へ流通する。加湿器68内において、水27は吸気30aと混合して、吸気30aに水分を与え、その後、前述のように、加湿空気30bとしてスタック・モジュール62内に分配される。水27aは、スタック・モジュール62から水導管71を通って純水タンク80内に直接、流入する。
【００２０】
次に図３を参照すると、本発明の第三の実施形態が参照符号10によって概略的に示される。燃料電池用筐体10が、燃料電池スタック（不図示）を収容するスタック・モジュール内部14を持つスタック・モジュール12を含む。
【００２１】
空気吸入導管16は、スタック・モジュール12の一側に流体的に連通して配設される。加湿器18は、従来のものであってもよく、空気吸入導管16内に備えられる。空気排出導管20は、スタック・モジュール12の他側から延びる。凝縮器（不図示）と消音器（不図示）との両方を含む一体化された凝縮器/消音器22が、空気排出導管20の出口端部と流体的に連通して配設される。冷却媒体回路25は、概して、冷却媒体（不図示）を一体化された凝縮器/消音器22の中へ流入させると共に、一体化された凝縮器/消音器22から外部へ流出させる。
【００２２】
空気放出導管24が、一体化された凝縮器/消音器22から延設される。補充用純水27を収容する純水タンク26が、分配導管32を通じて、一体化された凝縮器/消音器22と流体的に連通して配設される。水戻し導管28が、純水タンク26を加湿器18に接続する。
【００２３】
燃料電池用筐体10の動作において、吸気30aは、空気吸入導管16を通って加湿器18に流入する。加湿器18では、一般的には純水タンク26から分配される水27からの水分が、後述するように吸気30aに加えられる。加湿空気30bは、加湿器18から、スタック・モジュール12のスタック・モジュール内部14内の燃料電池スタック（不図示）の中へ流入する。加湿空気30bが燃料電池スタックを通過するとき、加湿空気30bは、ポリマー電解質膜を、燃料電池スタックの最適作動を確かなものとするために十分な水分レベルに維持する。その結果得られる水分が豊富で且つ酸素が消耗された排気30cが、スタック・モジュール12から空気排出導管20を通って、一体化された凝縮器/消音器22の中へ流入する。
【００２４】
排気30cが一体化された凝縮器/消音器22内を通過するとき、凝縮器は排気30cから過剰な水27を取り除き、乾燥空気30dを生成する。乾燥空気30dは、空気放出導管24によって、一体化された凝縮器/消音器22から大気中に放出される。排気30cから除去された水27は、分配導管32によって、一体化された凝縮器/消音器22から純水タンク26の中へ流入する。
【００２５】
一体化された凝縮器/消音器22から分配導管32によって放出された水27は、純水タンク26内に集まる。水27は、純水タンク26から水戻し導管28を通って加湿器18へ流入する。これは、任意の種々の方法によって実行され得る。例えば、水戻し導管28の中にポンプが設けられ、この場合、水27は純水タンク26から加湿器18に圧送される。あるいは、凝縮器/消音器22内の排気30cの圧力を重力と組み合わせて使用することによって、水27が純水タンク26から加湿器18に圧送される。さらに別の代替実施形態において、気体−気体間加湿器18の場合、加湿器18に部分的に乾燥させられた空気を供給すべく、空気放出導管24が加湿器18に接続される。その場合、凝縮器/消音器22から集められた水27は、分配導管32によって容易に取り除かれるであろう。加湿器18内において、水27は吸気30aに水分を与えるべく吸気30aと混合し、その後、加湿空気30bとしてスタック・モジュール12内へ流入する。
【００２６】
本技術分野の当業者によれば、一体化された凝縮器/消音器22が、凝縮器及び消音器を別々に備えた従来技術に比べて、改善されたスペース効率、重量効率及びコスト効率によって特徴付けられることが理解されるであろう。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び範囲内で種々の修正が行われ得ること、そして、特許請求の範囲がそのような修正をも対象にしていることが、認識及び理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の従った燃料電池用筐体の、第１実施形態の概略図である。
【図２】本発明の従った燃料電池用筐体の、第２実施形態の概略図である。
【図３】本発明の従った燃料電池用筐体の、第３実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
34.  燃料電池用筐体
36.  スタック・モジュール
40.  一体化された凝縮器/消音器
44.  純水タンク
46.  空気吸入導管
48.  加湿器
50.  空気排出導管
52.  水導管
54.  空気放出導管
56.  水戻し導管
58.  分配導管
【図１】
2007066909.tif 000003
【図２】
2007066909.tif 000004
【図３】
2007066909.tif 000005